CN103247812B - 用于处于怠速-停止模式的燃料电池系统的反应物控制方法 - Google Patents

用于处于怠速-停止模式的燃料电池系统的反应物控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于处于怠速-停止模式的燃料电池系统的反应物控制方法。一种用于在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制燃料电池堆的阳极室和阴极室内的反应物的系统和方法。方法包括确定燃料电池堆中的燃料电池的平均电压或整体堆电压的电压设置点是怠速-停止模式可接受的最小电压。实际的电池电压平均或堆电压与电压设置点相比较以生成电压误差。电压误差被提供给控制器，该控制器执行（1）提供氢气到燃料电池堆的阳极室以增加阳极室压力，这在电压高于电压设置点时降低电压误差；和/或（2）如果电压误差低于电压设置点提供更多的阴极空气到燃料电池堆的阴极室。

Description

用于处于怠速-停止模式的燃料电池系统的反应物控制方法
技术领域
本发明总体涉及在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制在该燃料电池堆内的反应物的系统和方法，并且更具体地涉及用于在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制该燃料电池堆内的反应物的系统和方法，其中该方法进行通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室来控制阳极室压力或控制到燃料电池堆的阴极室的阴极空气流中的一者或两者。
背景技术
氢气是非常有吸引力的燃料，因为其清洁并且能被用于在燃料电池内高效地产生电能。氢气燃料电池是电化学设备，其包括阳极和阴极以及它们之间的电解质。阳极接收氢气气体而阴极接收氧气或空气。氢气气体在阳极内被分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子在阴极中与氧和电子反应以生成水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因此被引导通过负载以在被发送到阴极之前做功。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是流行的用于车辆的燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂（Pt），其被支撑在碳颗粒上并与离聚物混合。催化剂混合物被沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合定义了膜电极组件（MEA）。MEA制造起来相对昂贵并且要求一定条件才能有效操作。
若干燃料电池通常被组合到燃料电池堆中以生成期望的功率。例如，典型的用于车辆的燃料电池堆可具有两百或更多的被堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应物气体，通常是由压缩机强迫通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧气都被燃料电池堆消耗并且一些空气被作为阴极废气输出，该阴极废气可能包括作为燃料电池堆副产品的水。燃料电池堆还接收阳极氢气反应物气体，其流入燃料电池堆的阳极室。燃料电池堆还包括流动通道，冷却流体流过该流动通道。
燃料电池堆包括一系列的双极板，这些双极板在燃料电池堆中被定位在若干MEA之间，其中双极板和MEA被定位在两个端板之间。双极板包括用于堆中的邻近的燃料电池的阳极室和阴极室。阳极气体流动通道被设置在双击板的阳极室上，其允许阳极反应物气体流到相应的MEA。阴极气体流动通道被设置在双击板的阴极室上，其允许阴极反应物气体流到相应的MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，而另一端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板都由导电材料制成，例如不锈钢或导电复合材料。端板将由燃料电池产生的电能导出燃料电池堆。双极板还包括流动通道，冷却流体流过该流动通道。
在燃料电池系统（FCS）的正常操作期间，发生一些寄生损失，其减少了系统的效率。这些损失包括氢气从燃料电池堆的阳极室扩散到燃料电池堆的阴极室、电流短路和来自例如泵、压缩机等的附属功率消耗。当不期望从燃料电池堆提供电功率时，可通过减少到燃料电池系统的反应物流来减少寄生损失。
有时燃料电池车辆要求非常少的功率，例如当燃料电池车辆在停止灯停止时。提供正常的反应物流到燃料电池堆在这些情况下通常是浪费的，因为反应物渗透和设备部件平衡的电负载可能是非常显著的。在这些怠速状况期间通常期望减少堆输出功率和电流汲取以改善系统燃料效率。
对于这些和可能的其它的燃料电池系统操作状态，可能期望使该系统处于待命或怠速-停止模式，在该模式中系统消耗很少功率或不消耗功率，被使用的燃料的量是最小的并且系统能快速地从待命模式恢复，从而增加系统效率并减少系统降级。2010年3月12日提交的、名称为“Standby Mode for Optiminazation of Efficiency in Durability of a Fuel Cell Vehicle Application”的US专利申请12/723261公开了一种已知的用于使车辆上的燃料电池系统处于待命模式以节省燃料，该申请已被转让给本申请的受让人并通过引用并入本文。
由于在待命或怠速-停止模式期间减少了反应物流并且在阳极室和阴极室中的反应物的浓度降低，所以可能出现燃料电池堆中不期望的状况。例如，在没有空气流流到燃料电池堆的阴极室的情况下，氢气渗透通过膜并聚集在阴极室内，在那里它形成了氢气/氮气/水混合物。接下来，当要求燃料电池系统提供功率时，阴极室内的富含氢气的气体可能需要与稀释剂混合以防止车辆废气中有过量的氢。这种稀释过程减慢了燃料电池系统的重启并可能引起不期望的性能滞后。
而且，在待命模式中维持阳极室内的富氢浓度也是重要的。在没有足够的氢被供应到阳极室的情况下，出现在阴极室内的氧气可能渗透到阳极室。氧气和氢气在阳极室的不同区域内的显著的局部浓度可能引起氢气-空气峰，这可能引起阴极电极的显著的碳蚀，这是本领域技术人员能够熟知的。
为了控制氧气在阳极室内的聚集或者氢气在阴极室内的聚集，关键是精确控制到达燃料电池堆的空气和氢气反应物。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种系统和方法，其用于在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制燃料电池堆的阳极室和阴极室内的反应物。方法包括确定燃料电池堆中的燃料电池的平均电压或整体堆电压的电压设置点是怠速-停止模式可接受的最小电压。实际的电池电压平均或堆电压与电压设置点相比较以生成电压误差。电压误差被提供给控制器，该控制器执行（1）提供氢气到燃料电池堆的阳极室以增加阳极室压力，这在电压高于电压设置点时降低电压误差；和/或（2）如果电压误差低于电压设置点提供更多的阴极空气到燃料电池堆的阴极室。
本申请还提供了如下方案：
方案1. 一种用于在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制燃料电池堆内的一个或多个反应物的方法，所述方法包括：
              确定在燃料电池堆的操作过程中变化的堆参数；
              确定对于待命或怠速-停止模式的所述参数的期望设置点；
              在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时监测该参数；
              在燃料电池堆的待命或怠速模式期间比较所述设置点和所述参数以生成它们之间的误差；以及
              通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室和/或提供空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差。
方案2. 如方案1所述的方法，其中确定堆参数和确定期望设置点包括确定堆电压和堆电压设置点。
方案3. 如方案1所述的方法，其中确定堆参数和确定期望设置点包括确定燃料电池堆内燃料电池的平均电池电压和平均电池电压设置点。
方案4. 如方案1所述的方法，其中通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室和/或提供空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括提供氢气到燃料电池堆的阳极室。
方案5. 如方案4所述的方法，其中提供氢气到燃料电池堆的阳极室包括使用喷射器喷射氢气到燃料电池堆的阳极室内。
方案6. 如方案1所述的方法，其中通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室和/或提供空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制提供空气到燃料电池堆的阴极室的压缩机的速度。
方案7. 如方案1所述的方法，其中通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室和/或提供空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制引导空气绕过燃料电池堆的旁通线中的旁通阀的位置。
方案8. 如方案1所述的方法，其中通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室和/或提供空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制从燃料电池堆引出的阴极室废气线中的背压阀的位置。
方案9. 如方案1所述的方法，其中燃料电池堆位于车辆上并且在车辆停止时启动所述待命或怠速-停止模式。
方案10. 一种用于在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制燃料电池堆内的一个或多个反应物的方法，所述方法包括：
              确定针对所述待命或怠速-停止模式的堆电压或燃料电池堆内燃料电池的平均电池电压的期望设置点；
              在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时监测堆电压或燃料电池堆内燃料电池的平均电池电压；
              在燃料电池堆的待命或怠速-停止模式期间将设置点与堆电压或燃料电池堆中燃料电池的平均电池电压比较以生成它们之间的误差；以及
              通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室来减少所述误差。
方案11. 如方案10所述的方法，其中通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室来减少所述误差包括使用喷射器喷射氢气到燃料电池堆的阳极室内。
方案12. 如方案10所述的方法，其中燃料电池堆位于车辆上并且在车辆停止时启动所述待命或怠速-停止模式。
方案13. 一种用于在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制燃料电池堆内的一个或多个反应物的方法，所述方法包括：
              确定针对所述待命或怠速-停止模式的堆电压或燃料电池堆内燃料电池的平均电池电压的期望设置点；
              在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时监测堆电压或燃料电池堆内燃料电池的平均电池电压；
              在燃料电池堆的待命或怠速-停止模式期间将设置点与堆电压或燃料电池堆中燃料电池的平均电池电压比较以生成它们之间的误差；以及
              通过提供额外空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差。
方案14. 如方案13所述的方法，其中通过提供额外空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制提供空气到燃料电池堆的阴极室的压缩机的速度。
方案15. 如方案13所述的方法，其中通过提供额外空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制引导空气绕过燃料电池堆的旁通线中的旁通阀的位置。
方案16. 如方案13所述的方法，其中通过提供额外空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制从燃料电池堆引出的阴极室废气线中的背压阀的位置。
方案17. 如方案13所述的方法，其中燃料电池堆位于车辆上并且在车辆停止时启动所述待命或怠速-停止模式。
通过结合附图理解下面的描述和所附的权利要求能够容易理解本发明的另外的特征。
附图说明
图1是燃料电池系统的简单的示意框图；
图2是曲线图，水平轴是时间，竖直轴是不同位置处的电压误差和阳极压力，示出了阳极压力和电压误差之间的关系；
图3是闭环控制系统，其在燃料电池堆处于怠速-停止模式时控制阳极室压力或者阴极室空气流；以及
图4是曲线图，水平轴是时间，竖直轴是不同位置处的电压误差和阴极流，示出了电压误差和阴极流之间的关系。
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制燃料电池堆内的反应物的系统和方法，下面对这些实施例的讨论本质上仅是示例性的，并且决不是意在限制本发明或其应用或使用。例如，本发明具有用于车辆上的燃料电池系统的特定应用。不过，如本领域技术人员意识到的，本发明的系统和方法可具有其它的应用。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意框图。压缩机14在阴极输入线16上提供空气流到燃料电池堆12的阴极室，阴极输入线16例如通过水蒸气传输（WVT）单元18，该单元润湿该阴极输入空气。阴极废气在阴极废气线20上从燃料电池堆12输出，阴极废气线20将阴极废气引导到WVT单元18以提供湿度从而润湿阴极输入空气。背压阀38被设置在废气线20中，其被控制以控制在燃料电池堆12的阴极室内的压力。旁通线22被设置成围绕WVT单元18以引导阴极废气的一些或全部绕过WVT单元18。在其它的实施例中，旁通线22可以是入口旁通。旁通阀24被设置在旁通线22内并且被控制以选择性地引导阴极废气通过或绕过WVT单元18从而提供期望量的湿度给阴极输入空气。旁通线42被设置在燃料电池堆12周围并且比例阀40被设置在旁通线42内以控制来自压缩机14的空气流中有多少被引导通过燃料电池堆12并且有多少被引导绕过燃料电池堆12。
燃料电池堆12从氢气源26接收氢气，氢气源26通过喷射器30在阳极输入线28上将氢气喷射到燃料电池堆12的阳极室内。阳极废气在再循环线32上从燃料电池堆12被输出，再循环线32通过将阳极废气提供到喷射器30而将阳极废气再循环回到阳极输入，喷射器30可操作为喷射器/排出器（ejector），这对本领域技术人员来说是熟知的。喷射器/排出器的一个合适的示例在名称为“Combination of Injector-Ejector for Fuel Cell Systems”的US专利7,320,840中被描述，该专利被转让给本申请的受让人并通过引用并入本文。如本领域中熟知的，氮气在燃料电池堆12的阳极室内聚集，其减少了其内的氢气的浓度，并且影响燃料电池系统10的性能。泄放阀34被设置在再循环线32中以周期地泄放废气以从阳极子系统移除氮气。被泄放的阳极废气在泄放线36上被提供到阴极废气线20。
当燃料电池堆12进入待命或怠速-停止模式时，反应物出现在燃料电池堆12的阳极室和阴极室内。通常，阴极中的大多数氧气要么通过小堆负载要么通过膜渗透被慢慢地消耗掉，再加上有限的阴极空气传送或没有阴极空气传送。不过，如上所述，只要待命或怠速-停止模式一开始，氢气和氧气就继续扩散通过MEA和管道。由燃料电池堆12中的燃料电池产生的电压暗示着在燃料电池堆12的阴极室内存在氧气并且在燃料电池堆12的阳极室内存在氢气，其中氧气在阴极室内的存在限制了氢气在阴极室内的聚集。电压过高可能指示在阴极室内存在足够的氧气以扩散到阳极室并造成对耐用性的担心。期望的电压可因此被确定为指示在待命或怠速-停止模式期间在燃料电池堆12的阳极室和阴极室内有最优的反应物浓度。通过添加氢气到阳极室以增加阳极室压力将增加氢气到阴极室的渗透速率。已经渗透到阴极室的氢气将与阴极室内的氧气反应并减低电压。
本发明的一个实施例提出了定义电压设置点（VSP），其确定了解决了在燃料电池堆12处于待命或怠速-停止模式时的上面讨论的担心的期望堆或燃料电池电压。该电压设置点可以是适合燃料电池的待命模式电压的任何低电压水平，例如100mV。在一个实施例中，用作VSP的是燃料电池的平均电压。在另一实施例中，整体堆电压被用作VSP。
图2是曲线图，水平轴是时间，竖直轴的底部是电压误差，而竖直轴的顶部是阳极电压。图线50代表了电压设置点，而图线52代表了计算的或测量的电压，例如平均电池电压。图线54示出了燃料电池堆12的阳极室内的阳极电压变化，其被用于通过喷射氢气到燃料电池堆12的阳极室内来控制电压误差，下面将更具体描述。渗透到燃料电池堆12的阴极室的氢气将与氧气反应并减少电池电压，这引起阳极室压力下降，并且增加电压误差。添加氢气到燃料电池堆12的阳极室引起阳极室压力增加，这引起氢气横渡到阴极室，这减少电压误差。因此，其可被示出为通过控制阳极室压力，这例如通过喷射氢气到阳极室内，来获得对电压误差的修正。
图3是控制系统60的框图，控制系统可被用于在怠速-停止模式期间控制堆电压或平均电池电压。电压设置点被从框62提供给比较器64并且平均电池电压或堆电压由电压测量设备66或其它合适电路提供给比较器64。典型的燃料电池系统将监测堆电压和平均电池电压以用于各种目的并且本领域中已知许多用于此目的的电路和算法。电压设置点和实际电压之间的差是电压误差，由图线52代表，其被提供给控制器68。依赖于电压误差是高于设置点还是低于设置点，设置点由线50代表，确定控制器68是否将引起喷射器30喷射氢气到燃料电池堆12内，由框70代表。如上所述，如果电压误差正增加并高过设置点线50，那么控制器68将引起氢气被喷射到燃料电池堆12内，这引起电压误差以滞后的方式降低。控制器68将在某一点停止氢气的喷射，这可能引起电压误差超越设置点线50。燃料电池堆12内氢气的消耗将再一次引起电压误差朝着设置点线50向回移动，其中控制器68将再一次引起喷射器30喷射氢气到燃料电池堆12内。
在另一实施例中，控制系统60可被用于控制到燃料电池堆12的阴极室的空气流以控制并减少电压误差。添加空气到燃料电池堆12的阴极室将移开和/或消耗阴极室内的氢气。由于氧气被吸在阴极电极表面上，所以电池电压将增加。换句话说，当电压低于设置点时，没有足够的氧气存在于燃料电池堆12的阴极室中，其中来自阳极室的氢气扩散到阴极室的速率大于氧气进入阴极室的速率。
上面描述的状况可在图4中示出，图4是曲线图，水平轴是时间，竖直轴是电压误差，分别示出了如图2中的相同的电压误差线50和设置点线52。竖直轴还包括阴极流图线72，其代表响应于电压误差的对燃料电池堆12的阴极室内的阴极空气的调节。
如通过图线52和72的比较清楚可知的，如果电压误差是低的，或者向着设置点线50移动，那么控制器68就增加燃料电池堆12的阴极室内的空气，并且当电压误差高于设置点线50，那么控制器68就减少或者允许减少燃料电池堆12的阴极室内的阴极空气。在这是实施例中，控制器68将执行下面中的一者或多者：增加压缩机14速度以提供更多的空气，调节旁通阀40的位置以减少空气旁通和调节背压阀38的位置以减少流出燃料电池堆12的空气流。
替换地，控制系统60可同时或作为同一控制的一部分来控制阳极内的氢气量和到阴极的空气流。
在替换的实施例中，电压之外的其它参数可被用于生成误差信号。例如，浓度传感器可被用于生成浓度误差，其中控制系统60将提供更多气体到阳极室和/或更多阴极空气到阴极室以引起浓度朝着期望的浓度设置点移动。
如本领域技术人员熟知的，本文讨论的用于描述本发明的若干且各种步骤和过程可被称为由计算机、处理器或其它电子计算设备执行的操作，这些设备使用电现象操纵和/或变换数据。那些计算机和电子设备可采用各种易失性和/或非易失性存储器，包括非瞬态计算机可读介质，其上带有所存储的可执行的程序，包括各种代码或者可执行的指令，其能够由计算机或处理器执行，其中存储器和/或计算机可读介质可包括所有形式和类型的存储器和其它的计算机可读介质。
前面的讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从这种描述和附图以及权利要求中认识到，可对其进行各种改变、改进和变型，而不脱离在下面的权利要求中定义的本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种用于在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制燃料电池堆内的一个或多个反应物的方法，所述方法包括：
              确定在燃料电池堆的操作过程中变化的堆参数；
              确定对于待命或怠速-停止模式的所述参数的期望设置点；
              在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时监测该参数；
              在燃料电池堆的待命或怠速模式期间比较所述设置点和所述参数以生成它们之间的误差；以及
              通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室和/或提供空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差，
其中，其中确定堆参数和确定期望设置点包括确定燃料电池堆内燃料电池的平均电池电压和平均电池电压设置点。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室和/或提供空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括提供氢气到燃料电池堆的阳极室。
3.如权利要求2所述的方法，其中提供氢气到燃料电池堆的阳极室包括使用喷射器喷射氢气到燃料电池堆的阳极室内。
4.如权利要求1所述的方法，其中通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室和/或提供空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制提供空气到燃料电池堆的阴极室的压缩机的速度。
5.如权利要求1所述的方法，其中通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室和/或提供空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制引导空气绕过燃料电池堆的旁通线中的旁通阀的位置。
6.如权利要求1所述的方法，其中通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室和/或提供空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制从燃料电池堆引出的阴极室废气线中的背压阀的位置。
7.如权利要求1所述的方法，其中燃料电池堆位于车辆上并且在车辆停止时启动所述待命或怠速-停止模式。
8.一种用于在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制燃料电池堆内的一个或多个反应物的方法，所述方法包括：
              确定针对所述待命或怠速-停止模式的堆电压或燃料电池堆内燃料电池的平均电池电压的期望设置点；
              在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时监测堆电压或燃料电池堆内燃料电池的平均电池电压；
              在燃料电池堆的待命或怠速-停止模式期间将设置点与堆电压或燃料电池堆中燃料电池的平均电池电压比较以生成它们之间的误差；以及
              通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室来减少所述误差。
9.如权利要求8所述的方法，其中通过提供氢气到燃料电池堆的阳极室来减少所述误差包括使用喷射器喷射氢气到燃料电池堆的阳极室内。
10.如权利要求8所述的方法，其中燃料电池堆位于车辆上并且在车辆停止时启动所述待命或怠速-停止模式。
11.一种用于在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时控制燃料电池堆内的一个或多个反应物的方法，所述方法包括：
              确定针对所述待命或怠速-停止模式的堆电压或燃料电池堆内燃料电池的平均电池电压的期望设置点；
              在燃料电池堆处于待命或怠速-停止模式时监测堆电压或燃料电池堆内燃料电池的平均电池电压；
              在燃料电池堆的待命或怠速-停止模式期间将设置点与堆电压或燃料电池堆中燃料电池的平均电池电压比较以生成它们之间的误差；以及
              通过提供额外空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差。
12.如权利要求11所述的方法，其中通过提供额外空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制提供空气到燃料电池堆的阴极室的压缩机的速度。
13.如权利要求11所述的方法，其中通过提供额外空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制引导空气绕过燃料电池堆的旁通线中的旁通阀的位置。
14.如权利要求11所述的方法，其中通过提供额外空气到燃料电池堆的阴极室来减少所述误差包括控制从燃料电池堆引出的阴极室废气线中的背压阀的位置。
15.如权利要求11所述的方法，其中燃料电池堆位于车辆上并且在车辆停止时启动所述待命或怠速-停止模式。
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